一种基于模块化多电平变流器的高放电深度复合型储能系统的制作方法

本发明属于储能系统技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平变流器的高放电深度复合型储能系统。

背景技术：

建设储能装置是解决可再生能源发电波动、提高电网对新能源的消纳能力和提高能源使用效率的一个重要途径。目前规模化的电力储能技术主要有抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导储能、电池储能、超级电容器储能等。其中电池储能是能量型储能的典型代表，电池储能是目前最有投资/成本效益的储能技术之一，具有模块化、响应快、商业化程度高的特点。然而，电池储能具有循环寿命短、功率密度低的缺点，不适合用于短时大功率和频繁充放电的场合，为此，出现了一种兼有能量型储能和功率型储能元件的复合储能系统，从而优化了储能电池的寿命同时又具备大功率、频繁充放电的能力。特别地，近年来出现了一种基于模块化多电平变流器(MMC)的复合型储能系统(张建忠，胡省，王伟，孙耀东，一种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统，中国发明专利，2016，申请号：201611204892.2)，它将能量型储能元件和功率型储能元件分别接在模块化多电平变流器的直流侧和内部单元模块中，构成了分布式的功率型储能模式，简化了功率型储能元件的连接和电压均衡控制，降低了储能系统复杂度和成本。但是这种基于模块化多电平变流器的复合型储能系统存在功率型储能元件放电深度低的问题，即当功率型储能元件(典型采用超级电容器)放电时，其端电压基本上曾平方关系下降，到达一定放电深度后会造成模块化多电平变流器因直流电压过低，从而无法继续由直流侧向交流侧提供电能，造成功率型储能元件放电深度较低，储能元件的容量未能得到充分利用。可见，还需要对该复合型储能系统进行革新从而进一步提高其综合性能。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于模块化多电平变流器的高放电深度复合型储能系统。

本发明的技术方案是：一种基于模块化多电平变流器的高放电深度复合型储能系统，包括能量型储能元件、DC/DC变换器、MMC(模块化多电平变流器)子模块、电抗器、电源、缓冲电感；

所述的MMC子模块包括功率型储能元件、储能电感、半桥DC/DC电路、电解电容器和MMC半桥子模块；

所述MMC子模块内部集成有功率型储能元件，典型地由若干个超级电容器串联组合而成，形成分布式储能的方式；功率型储能元件通过储能电感与半桥DC/DC电路连接，所述的半桥DC/DC电路输出端连接于电解电容器的两端，电解电容器与MMC半桥子模块并联连接，MMC半桥子模块的输入脚i和输出脚o即为MMC子模块的输入和输出脚，依次将每个桥臂上的MMC子模块输出脚与下个MMC子模块的输入脚相连接，并将三相上桥臂第一个的MMC子模块输入脚连接组成MMC的直流正母线，三相下桥臂最后一个MMC子模块输出脚连接组成MMC的直流负母线，将每相上桥臂最后一个MMC子模块的输出和下桥臂第一个MMC子模块的输入与缓冲电感连接，上下桥臂的缓冲电感相互连接之后并将其与电抗器连接，电抗器的输出端与位于复合型储能系统外部的电源连接；

所述能量型储能元件典型地由蓄电池经串联、先串后并或先并后串组合而成，并辅以主动电池能量均衡系统或者被动电池能量均衡系统，能量型储能元件通过DC/DC变换器与MMC的直流母线连接。

本发明中利用DC/DC变换器和半桥DC/DC电路实现了两种储能元件之间，以及储能元件与模块化多电平变流器之间的控制相互独立、互不影响，提高了储能元件的放电深度。

作为优选，所述半桥DC/DC电路有两种工作模式，当功率型储能元件需要放电时，半桥DC/DC电路工作于Boost升压模式，当功率型储能元件需要充电时，半桥DC/DC电路工作于Buck降压模式。

作为优选，典型地采用电池作为能量型储能元件时，在储存能量或者释放能量的过程中，会导致电池端电压的改变，所以电池连接的DC/DC变换器的控制方式为电压外环电流内环控制，这样能够保证模块化多电平变流器在电池储存或者释放能量的过程中，其端电压保持不变。典型地采用超级电容器作为功率型储能元件时，与超级电容器连接的半桥DC/DC电路也采用电压外环电流内环的控制方式，电压外环用于控制MMC子模块的电解电容器电压平均值保持不变，电流内环用于控制超级电容器的储存或者释放的能量。

与功率型储能元件连接的半桥DC/DC电路可以根据各功率型储能元件的能量差异调节占空比，从而实现各功率型储能元件之间的能量平衡。此能量差异包括桥臂内部之间、上下桥臂间以及相间各子模块的能量差异。

各个子模块中的超级电容器接口电路的占空比不仅受到电压外环电流内环的控制，而且受到不同子模块中超级电容的能量差异的控制。具体当某一子模块中的超级电容器的能量比其他子模块高时，在储能系统释放能量时多释放能量，在储能系统吸收能量时少吸收能量；当某一子模块中的超级电容器的能量比其他子模块低时，在储能系统释放能量时少释放能量，在储能系统吸收能量时多吸收能量。这样，各子模块中超级电容器储存的能量趋于一致，从而实现了利用接口电路和模块化多电平变流器实现了能量管理的功能。

集成了超级电容器储能的模块化多电平变流器的其他控制方式与通用的模块化多电平变流器的控制方式相同，例如环流抑制策略，电解电容电压平衡策略均可以直接使用。

有益效果：本发明利用模块化多电平变流器的直流侧构成能量型储能系统，利用模块化多电平变流器的内部子模块的直流侧构成分布式的功率型储能系统，实现了在同一个变流器中构建复合型储能系统，系统结构简单、成本较低，而且能量型储能系统与功率型储能系统通过功率变换器互相隔离，互不影响。当功率型储能元件放电深度加深，电压降低时，可以通过连接的半桥DC/DC电路实现电压控制，保持MMC子模块电解电容器电压平均值保持不变，从而保证MMC能够继续正常工作，提高了功率型储能元件的放电深度。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

图2为本发明的子模块结构示意图。

图3为本发明的功率分配框图。

附图中：能量型储能元件1、DC/DC变换器2、MMC子模块3、电抗器4、电源5、缓冲电感6、功率型储能元件7、储能电感8、半桥DC/DC电路9、电解电容器10、MMC半桥子模块11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种基于模块化多电平变流器的高放电深度复合型储能系统，包括能量型储能元件1、DC/DC变换器2、MMC子模块3、电抗器4、电源5、缓冲电感6。所述的MMC子模块3包括功率型储能元件7、储能电感8、半桥DC/DC电路9、电解电容器10和MMC半桥子模块11。

所述MMC子模块3内部集成有功率型储能元件7，典型地可由若干个超级电容器串联组合而成，形成分布式储能的方式。功率型储能元件7通过储能电感8与半桥DC/DC电路9连接，所述的半桥DC/DC电路输出端连接于电解电容器10的两端，电解电容器10与MMC半桥子模块11并联连接，MMC半桥子模块11的输入脚i和输出脚o即为MMC子模块3的输入和输出脚，依次将每个桥臂上的MMC子模块输出脚与下个MMC子模块的输入脚相连接，并将三相上桥臂第一个的MMC子模块输入脚连接组成MMC的直流正母线，三相下桥臂最后一个MMC子模块输出脚连接组成MMC的直流负母线，将每相上桥臂最后一个MMC子模块的输出和下桥臂第一个MMC子模块的输入与缓冲电感6连接，上下桥臂的缓冲电感6相互连接之后并将其与电抗器4连接，电抗器4的输出端与位于复合型储能系统外部的电源连接；

所述能量型储能元件1典型地由蓄电池经串联、先串后并或先并后串组合而成，并辅以主动电池能量均衡系统或者被动电池能量均衡系统，能量型储能元件1通过DC/DC变换器2与MMC的直流母线连接。

所述半桥DC/DC电路9有两种工作模式，当功率型储能元件需要放电时，半桥DC/DC电路9工作于Boost升压模式，当功率型储能元件需要充电时，半桥DC/DC电路9工作于Buck降压模式。

所述DC/DC变换器2的控制方式采用电压外环电流内环控制，利用电压外环控制使得MMC的直流侧电压保持恒定，电流内环控制电池储能系统的输出(吸收)的功率。

图2所示为MMC子模块，由4个带反并联二极管的开关器件、1个电解电容、1个储能电感和功率型储能元件组成。开关器件S1、S2和电解电容C1构成模块化多电平变流器的半桥子模块结构，开关器件S3、S4和储能电感L1构成了基于半桥的超级电容器DC/DC电路，此半桥DC/DC电路可工作与Buck或者Boost模式，分别对应于超级电容器充电和放电状态。此接口电路也采用电压外环电流内环的控制方式，电压外环用于控制电解电容器的平均电压恒定，电流内环用于控制超级电容输出(吸收)的功率大小。值得注意的是：各个子模块中的超级电容器接口电路的占空比不仅受到电压外环电流内环的控制，而且受到不同子模块中超级电容器的能量差异的控制。具体当某一子模块中的超级电容器的能量比其他子模块高时，在储能系统释放能量时多释放能量，在储能系统吸收能量时少吸收能量；当某一子模块中的超级电容器的能量比其他子模块低时，在储能系统释放能量时少释放能量，在储能系统吸收能量时多吸收能量。这样，各子模块中超级电容器储存的能量趋于一致，从而实现了利用接口电路和模块化多电平变流器实现了能量管理的功能。此处的超级电容器能量差异不仅指一个桥臂内的超级电容器能量差异，还包括上、下桥臂间的超级电容器能量差异和相间的超级电容器能量差异。

图3为复合型储能系统的能量控制流程图。当分别计算出电池储能系统和超级电容器储能系统输出(吸收)的功率后，控制模块化多电平变流器直流侧的DC/DC变换器，输出(吸收)期望的能量型储能系统功率P_n；对于功率型储能系统的期望输出(吸收)功率P_g，先经历功率再分配环节(子模块总数为6N)，也即在保持总输出(吸收)功率不变的情况下，调节各子模块的输出(吸收)功率，从而使得各子模块中的超级电容器的能量趋于一致，然后根据每个子模块中超级电容器期望的输出(吸收)功率控制超级电容器的接口电路，保证总的输出(吸收)功率为期望的输出(吸收)功率。最后，基于模块化多电平变流器的复合型储能系统输出(吸收)总的功率，经并网电抗器4，接入电源5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。